長江上游船舶大型化對典型污染排放的影響*

李文杰，楊 寧，杜洪波，萬 宇，楊勝發(fā)，肖 毅

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

國家提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”。長江航道作為溝通中國東中西部地區(qū)的運輸大動脈，是構建長江經濟帶綜合立體交通走廊的主骨架，在航運方面具有獨特優(yōu)勢和巨大發(fā)展?jié)摿1]。長江上游水運發(fā)展迅速，航道通過能力[2]提高，船舶也逐漸朝著大型化[3]、標準化[4]方向發(fā)展。大型船舶憑借優(yōu)良的規(guī)模經濟效益、能源效益而受到航運市場的青睞，但社會對船舶污染排放的重視也不斷加大。目前，船舶大型化帶來的污染排放影響尚不明確，對船舶污染排放的研究側重于港口[5-8]、城市[9-10]區(qū)域的排放清單及污染特征研究，部分學者對船舶污染排放擴散模擬[11]、空間分布規(guī)律[12]和防治措施[13]也提出了分析與建議，但總體而言，鮮有文獻對船舶大型化帶來的典型污染排放影響進行系統(tǒng)研究。

本文旨在分析長江上游船舶噸位、船舶交通流、船舶燃油消耗及典型污染物排放等，研究長江上游船舶大型化趨勢對典型污染物排放的綜合影響，以期對未來階段的航道建設規(guī)劃提供參考，以保證發(fā)揮航運經濟效益的同時能夠促進綠色航運可持續(xù)發(fā)展。

1 數(shù)據來源及研究方法

1.1 數(shù)據來源

1)2008—2019年長江上游朝天門、江津大橋、萬州長江二橋、巫山長江大橋觀測斷面日均船舶流量來源于重慶海事局，用于分析船舶交通流量變化。

2)2008—2019年重慶、四川、貴州、云南的船舶數(shù)量、凈載質量、水路貨運量、水運貨物周轉量來源于中國統(tǒng)計年鑒，用于分析船舶大型化發(fā)展趨勢等。

3)100～5 000 t船舶主機功率來源于川江及其支流、三峽庫區(qū)的干散貨船舶數(shù)據[14-15]，用于計算不同船型單位時間基本燃油消耗量、船舶營運燃油消耗率。

4)船舶典型污染物類型來源于《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》，典型污染物排放因子來源于中國船舶大氣污染物排放清單報告[16]，用于計算船舶典型污染物排放量。

1.2 研究方法

由于國家統(tǒng)計局暫無直接數(shù)據表明船舶平均噸位變化，將其定義為凈載質量與船舶數(shù)量二者的比值。

理論狀態(tài)下，主機功率P與船舶航速S的3次方成正比關系[17-18]，則主機功率可以表示為：

P=cS3

(1)

式中：P為主機在常用工況下的功率(kW)；S為船舶航速(km/h)；c是常數(shù)，由船舶計算實例取0.067[19]。

本文參考GB/T 7187.2—2010《運輸船舶燃油消耗量第2部分：內河船舶計算方法》[19]，通過不同噸位船舶主機功率估算其單位時間基本燃油消耗量、船舶營運燃油消耗率，計算公式如下：

Q=αPg

(2)

(3)

式中：Q為單位時間基本燃油消耗量(kg/h)；α為主機基本耗油系數(shù)，干散貨船取0.73；g為主機在常用工況下的耗油率(kg·kW-1·h-1)，取0.216；R為船舶營運燃油消耗率(kg·t-1·km-1)；M為船舶滿載運量(t)。

船舶排放的典型大氣污染物主要包括NOx、CO、HC、PM10、PM2.5、SO2，基于船舶燃料消耗計算船舶大氣污染物排放量[20]。假定發(fā)動機設備保持在正常工作狀態(tài)，計算公式如下：

W=R·EF

(4)

式中：W為船舶單位周轉量典型大氣污染物排放量(g·t-1·km-1)；EF為船舶單位燃料典型大氣污染物排放因子(g·kg-1)。

2 船舶大型化趨勢分析

2.1 船舶平均噸位

長江上游地區(qū)主要涉及重慶、云南、貴州、四川三省一市，對該地區(qū)2008—2019年船舶總數(shù)量、總載質量統(tǒng)計分析并計算平均噸位，見圖1。

圖1 長江上游船舶運力總量變化

2008—2019年期間長江上游船舶凈載質量從348萬t增加到910萬t，年均遞增率9.12%；船舶總數(shù)量從1.39萬艘下降到1.04萬艘，年均遞減率2.62%；船舶平均噸位從249 t增加到874 t，年均遞增率12.06%。船舶平均噸位主要與凈載質量和船舶數(shù)量有關，上游船舶凈載質量逐年增加，而船舶總數(shù)量降低，船舶大型化趨勢明顯。

需要注意的是，隨著2011年12月上游宜賓—瀘州段二期航道整治工程竣工驗收，長江干線航道全部建成Ⅲ級以上高等級航道，主要貨運船舶的平均噸位在1 000 t以上，見表1[21]。而本文船舶包含了岷江、嘉陵江等支流數(shù)據，導致船舶平均噸位相對長江干線較小。

表1 內河Ⅰ-Ⅳ級航道可通航船舶噸級

2.2 船舶流量變化

隨著長江上游船舶大型化發(fā)展，航道斷面船舶流量和水運總量也發(fā)生變化，圖2為長江上游典型斷面日均船舶流量隨水運量的變化。

圖2 長江上游典型斷面日均船舶流量及水運總量

2008—2019年上游水運總量從1.12億t增加到3.04億t，年均遞增率9%；江津觀測斷面日平均流量從178艘次減少到42艘次，流量日均遞減率12%，巫山觀測斷面日平均流量從217艘次減少到193艘次，流量日均遞減率1%。船舶流量記錄中包含貨船、客船等，不同觀測斷面各船舶種類比例不一致，如2019年江津大橋、巫山長江大橋、朝天門、萬州長江二橋觀測斷面貨船比例分別為90%、68%、65%、44%。貨船比例越大的觀測斷面，船舶流量下降越顯著，朝天門和萬州觀測斷面由于旅游船比例較大，總船舶流量基本保持穩(wěn)定但近年亦有降低趨勢。

大型船舶裝載量比中小型船舶更大，能有效減少總航行周次，長江上游航道船舶流量逐漸減少。在長江上游水運量不斷增加的情況下，船舶流量依舊減少，表明船舶大型化趨勢顯著。

3 船舶污染排放

3.1 船舶營運燃油消耗率

長江航道以貨物運輸為主，基于100～5 000 t干散貨船主機功率資料，采用公式(1)～(3)估算各船型單位時間基本燃油消耗量、船舶營運燃油消耗率，見表2。結果表明，大型船舶對于單個往返航次來說，越大的船舶燃料消耗量越多，但船舶營運燃油消耗率隨著船舶噸位增加逐漸減小。以Ⅳ級航道500 t船舶為基準，Ⅲ級航道1 000 t船舶營運燃油消耗率為500 t船舶的69.9%，Ⅱ級航道2 000 t船舶營運燃油消耗率為500 t船舶的41.8%。因此，航道等級提升后，運輸相同貨物周轉量，船舶大型化有益于降低船舶油耗，貨物周轉量越大，大型船舶燃油節(jié)省的優(yōu)勢越大。

表2 船舶燃油消耗值

3.2 船舶單位周轉量典型大氣污染物排放

船舶排放的大氣污染物主要來源于燃料消耗，燃料消耗越多，污染排放越大。內河船舶主要使用普通柴油，結合船舶大氣污染物排放因子(表3)，通過船舶消耗的燃料量計算各船型單位周轉量典型污染物的排放量，見圖3。

表3 船舶典型大氣污染物排放因子

圖3 船舶單位周轉量典型大氣污染物排放

圖3表明，無論何種污染物，越大噸位船舶的單位貨物周轉量典型污染排放量越小。自上游干線航道等級由Ⅳ級升至Ⅲ級，理想狀態(tài)下船舶單位周轉量典型大氣污染物排放由500 t船舶的0.48 g/(t·km)降至1 000 t船舶的0.33 g/(t·km)，減少了31.2%。同時Ⅱ級航道2 000噸級船舶相對于Ⅲ級航道船舶單位周轉量污染排放更低，為0.21 g/(t·km)，在Ⅲ級航道排放基礎上降低36.4%。船舶大型化可有效減少燃油消耗，降低船舶單位周轉量污染排放。

3.3 船舶典型大氣污染物總排放

由于船舶污染排放采用了標準船型，基于平均噸位計算長江上游污染排放可能有一定誤差，但可反映基本的變化趨勢。基于100～5 000 t船舶單位周轉量典型大氣污染物排放量數(shù)據進行曲線擬合，其擬合系數(shù)為0.99，效果較好，見圖4。將上游船舶平均噸位代入擬合公式得到2008—2019年船舶單位周轉量典型大氣污染物排放量，并結合上游水運貨物周轉量得到船舶典型大氣污染物總排放，見圖5。

圖4 單位周轉量典型大氣污染物與船舶噸位關系

圖5 船舶典型大氣污染物總排放

由圖5可得，長江上游船舶典型大氣污染物總排放由2008年7.44萬t增長至2019年10.05萬t，年均遞增率2.8%。上游水運貨物周轉量增加導致污染排放增加，但此部分增量不采用水路運輸，由公路或者鐵路運輸將會產生更大的污染排放。水運每噸公里污染排放量是鐵路的1/1.2、公路的1/15[22]，以2008年水運貨物周轉量為基準，標準狀態(tài)代表上游船舶噸位保持2008年水準不變，據此算出標準狀態(tài)、船舶大型化兩種情況下水路運輸替代公路和鐵路運輸減少的污染物排放量見表4。

表4 2008—2019年水路運輸替代公路、鐵路運輸?shù)牡湫痛髿馕廴疚餃p排量

由表4可得，公路、鐵路運輸產生的污染排放遠大于水路運輸，隨著周轉量增量增加，水路運輸替代公路、鐵路運輸，典型大氣污染物減排量增大。同時相對于標準狀態(tài)，船舶大型化下的污染減排量更大，如2019年標準狀態(tài)替代公路、鐵路運輸減排量176.7萬t，船舶大型化替代公路、鐵路運輸減排量190.3萬t，減排量增長7.7%。

對全社會而言，未來我國交通運輸需求將持續(xù)高速增長，水路貨運量仍將保持快速發(fā)展。上游干線航道等級由Ⅳ級升至Ⅲ級，航道承載力增加，通航船舶噸位逐漸增大并趨近1 000噸級，船舶大型化可使水路運輸替代公路、鐵路運輸?shù)奈廴疚餃p排效果更加明顯，積極推動貨運物流低碳化，實現(xiàn)交通運輸綠色發(fā)展。

4 結論

1)2008—2018年長江上游三省一市船舶平均噸位由249 t增加到832 t，船舶大型化趨勢日益明顯。大型船舶能夠有效地減少總航行周次，上游船舶流量緩慢減少。

2)長江上游航道等級逐步提升，由Ⅳ級提升至Ⅲ級航道，理想狀態(tài)下船舶營運燃油消耗率為500 t船舶的69.9%，船舶單位周轉量典型大氣污染排放由0.48 g/(t·km)降至0.33 g/(t·km)，排放降低約31.2%。長江航道作為能源、原材料和外貿運輸?shù)闹饕ǖ?，貨運需求較大，船舶大型化降低單位周轉量污染排放可大大減少水路運輸污染排放，有利于航運業(yè)的綠色發(fā)展。

3)以2008年長江上游水運貨物周轉量為基準，2019年標準狀態(tài)替代公路、鐵路減排量176.7萬t，船舶大型化替代公路、鐵路減排量190.3萬t。對于上游地區(qū)總貨運量增加，航道等級提升，船舶大型化可進一步增大水路運輸替代公路、鐵路運輸?shù)奈廴緶p排量，降低全社會污染物排放總量。

為進一步實現(xiàn)“碳中和”目標，建議提升上游航道等級至Ⅱ級，提高航道承載力，積極推進船舶大型化、標準化，降低船舶營運燃油消耗率，船舶單位周轉量典型大氣污染排放相對于Ⅲ級航道可減少36.4%。同時，需持續(xù)綜合采取技術、經濟等措施，引導或限期淘汰存量低質量和低標準船舶，可加速運力結構優(yōu)化，并為新建高質量船舶發(fā)展騰出空間。本文以船舶主機功率計算船舶燃油消耗，缺乏輔機燃油消耗部分；計算船舶大氣污染排放量，部分參數(shù)采用了經驗值，但不影響總體結論。下一步研究中可考慮其他方法并引入更多分析對象，以更加明晰船舶大型化對污染物排放的具體影響。